Будущее безопасной энергии: твёрдотельные батареи изменят правила игры

Учёные из Национальной лаборатории Ок-Ридж, работающие под эгидой Министерства энергетики США, разработали новый подход к созданию твёрдотельных батарей (ТТБ), уделяя особое внимание механике этих устройств. Исследование, опубликованное в журнале Science , рассматривает, как физические факторы, такие как напряжение и деформация, влияют на работу и срок службы батарей.

Сергий Калнаус, учёный из группы моделирования множественных физических процессов и потоков ORNL, подчеркнул важность учёта механики в производительности батарей. Исследование охватывает различные области, включая вычислительные науки, химию и материаловедение, предлагая междисциплинарный взгляд на условия, влияющие на ТТБ.

Основное преимущество ТТБ — использование твёрдых электролитов, чаще всего изготавливаемых из стекла или керамики, что повышает безопасность и прочность по сравнению с жидкими электролитами, используемыми в литий-ионных батареях. Как отметил Калнаус, наличие твёрдого электролита исключает риск возгорания, что делает ТТБ менее опасными.

Однако разработка ТТБ сталкивается с рядом трудностей. Компоненты батарей подвергаются расширению и сжатию в процессе зарядки, что приводит к повреждениям твёрдых электролитов. Чтобы предотвратить это, необходимо применять значительное давление, чтобы сохранить целостность системы. По словам Калнауса, ключевым моментом является создание более пластичных материалов, способных выдерживать стресс, не трескаясь.

Важной частью ТТБ являются аноды, которые могут быть изготовлены из чистого лития — самого энергоёмкого металла. Однако это создаёт давление, которое может повредить электролиты. Эрик Герберт, руководитель группы механических свойств и механики ORNL, подчеркнул необходимость разработки новых поколений анодов и твёрдых электролитов, способных поддерживать стабильные механические интерфейсы.

Исследовательская группа также отметила успехи в использовании электролита LiPON (литий-фосфор-оксинитрид), разработанного в ORNL в начале 1990-х годов. Этот материал демонстрирует высокую устойчивость к механическим нагрузкам и химической стойкостью.

Исследование, финансируемое Министерством энергетики США, подчёркивает важность понимания факторов, влияющих на срок службы и эффективность ТТБ. Как заявил Калнаус, команда предоставила научному сообществу «дорожную карту» для учёта механики материалов при разработке новых батарей.